تقنيات تسخير الطاقة من أجل السلطة أجهزة آلية صغيرة في البيئات النائية

الحاجة الماسة إلى الطاقة المستدامة في الأجهزة الآلية للسرقات عن بعد

إن أكبر أجهزة آليــة مصممة من مواد متوافقة مثل السيليكونات أو هيدروغلز أو بوليمرات شكلية تناسب بيئات نائية متطرفة حيث تفشل الروبوتات الصلبة، وفي أعماق سلسلة مراحيض ماريانا، وفي فراغ المدارات ذات الأرض المنخفضة، وفي الأنقاض المشعة للكارثة النووية، أو في التحول الجليدي للقطب الشمالي، يمكن أن تكون الآلات الآلية غير منتظمة

ومصادر الطاقة المتاحة في البيئات النائية متنوعة: فالإهتزازات الميكانيكية من تيارات المحيطات أو النشاط السيزمي، والتدرجات الحرارية القريبة من المنافذ الحرارية المائية، والإشعاع الكهرومغناطيسي من ضوء الشمس، وحتى ردود الفعل الكيميائية البيولوجية في التربة أو مياه البحر، وبإدماج عناصر توليد الطاقة مباشرة في الجسم الليني من الآليين، يمكن للمصممين أن يزيلوا الحاجة إلى تكييفات الكهربائية الواعدة، وخلق الآلات

أساسيات تسخير الطاقة لأغراض الأجهزة الآلية

إن جمع الطاقة للآليات اللينة يتطلب نظما مرنة ميكانيكية ومتوافقة كيميائيا مع المواد اللينة، وكفاءة في كثافة الطاقة المنخفضة، وخلافا لنظم المحصول الجامدة التقليدية )مثلا، أو التربينات الريحية أو الألواح الشمسية(، يجب أن تتوسع المحصولات الناعمة، وتتحول دون فقدان الأداء، والطاقة المحصولة هي عادة منخفضة الطاقة من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية إلى أجهزة اتصال غير مكتملة.

وقد تم بنجاح إثبات ثلاث آليات رئيسية لجلب الطاقة في الروبوتات اللينة: الفطيرة، والتريبوليس، والفولطية الضوئية، كما أن الأساليب المغناطيسية والكهربائية آخذة في الظهور، رغم أن مكوناتها الجامدة تتطلب في كثير من الأحيان حلولاً معمارية خلاقة للحفاظ على اللينة، ونحن ندرس كل نهج بالتفصيل أدناه.

Piezoelectric Harvesting: Capturing Mechanical Vibration

وتنتج مواد كهربية من قبيل فلوريد متعدد الفينيل، أو مركبات التيتانيت التي تعمل بالزريكونات، أو تعمل على توليد الطاقة الكهربائية، أو التي تنتجها المركبات الآلية التي تعمل بالزيك، أو التي تعمل بالزيك، أو التي تعمل بالزيك، أو التي تنتجها المركبات الآلية التي تعمل بالزيوت، أو التي تُعاد تشكيلها، أو تُعدّل الميكانيكية الريحية في الجسم الآلي.

For example, researchers have built softroidic fish that sky using a tail finated by a shape-memory alloy. by embedding PVDF strips along the fin’s surface, the fish can harvest energy from the passive bending of the fin as it moves through water. In deserts or windy environments, softroids canzoctricever

ولا تزال هناك تحديات، فمعظم السيراميات الفطائرية ترتعش، وتجسدها في البوليمرات اللينة تقلل من معاملها في التقلبات، وتخفض إنتاجية الطاقة الفلكية المرنة في كل دورة، ويستكشف الباحثون المواد المركبة (مثلاً، الجسيمات المضغوطة المتناثرية في الحرير) وتصمم تواترات متعددة لتعزيز الطاقة دون التضحية بالارتفاع في درجة الحرارة.

Triboelectric Harvesting: Friction-Driven Power

ويستغل المسببون للناموسيات الثلاثية الكهرومغناطيسية الكترونيات الاتصال بين مواد متفاوتة، وعندما يصبح كل من هذه المواد (مثلاً، السيليكون والنيلون، أو قوة الشرطة الوطنية والألومنيوم) متصلاً بها ثم يفصلها وينقل الإلكترونية عبر الوصلة، ويخلق فرقاً محتملاً، وفي أجهزة الصنابير النائية يمكن إدماجهايات الأخرى كطبقات النحيلة والمرنة

One compelling example is a soft gripper that harvests energy every time it grasps an object. The gripper’s fingers are lined with triboelectric layers; each contraction generates a small charge that powers a temperature or pressure sensor. In a deepsea context, a softroid with a TENG can generate power from the pressure differential caused by ocean currents or the periodic compoyion of a bu1]

والعقبة الرئيسية التي تصيب هذه البلدان هي ارتفاع معدلاتها الداخلية وانخفاض الناتج الحالي، مما يجعلها أفضل ملاءمة لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الكهربائية العالية )أجهزة الاستشعار، أجهزة الإرسال( - يجب أن تضاهي دوائر إدارة الطاقة الحمولة بعناية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن أداء الشبكة في بيئات الرطوبة بسبب التسرب من حركة التوليد، وإن كانت هناك حالات جديدة من الطلاء الهيدروفوبي والتصميمات المتواضعة تخفف هذه المسألة.

Solar Harvesting: Flexible Photovoltaics for Sunlit Environments

خلايا الفولطية الضوئية هي أكثر التكنولوجيات نضجاً في مجال جمع الطاقة، وقد جعلتها أوجه التقدم الأخيرة في مجال الفلم الرقيق والفولطيات العضوية متوافقة مع المقاطع الفرعية الآلية، حيث يمكن أن تكون الخلايا الشمسية المرنة القائمة على الميول المكشوفة أو البوليمر العضوي أو التيتانيا المشعرة بالصبغة الدهونية مثبتة على سطح ناعم دون أن تُحدِّرها بشكل كبير.

An[iconic application is a softroidic rover designed for lunar exploration. Its flexible solar skin covers its entire body, allowing it to power its electronics and motors during the lunar day. because the skin is deformable, the rover can fold into a compact launch formation and then unfold upon landing. On Earth, researchers have built softroids that float on water, using transparent silicone bodies with embedded organic PV.

فالحصاد الشمسي له حدودتان أساسيتان: فهو يتطلب الضوء، كما أن كفاءة الخلايا المرنة (النسبة 10 إلى 15 في المائة) أقل من خلايا السيليكون الصلبة (022 إلى 24 في المائة) وبالنسبة لبيئات أعماق البحار أو الكهف، فإن الطاقة الشمسية غير قابلة للتطبيق، غير أن النظم الهجينة قد اقترحت تجمع بين الطاقة الشمسية وأجهزة جمع اليقظة، بحيث يمكن للروبوت أن يعمل في ضوء الشمس وفي ظلال.

Emerging Methods: Thermoelectric, Electromagnetic, and Biohybrid Harvesting

وبالإضافة إلى التقنيات الرئيسية الثلاثة، تستحق عدة آليات أخرى الإشارة إليها فيما يتعلق بالتطبيقات النائية المتخصصة.

(أ) تحول المولدات الكهربائية الحرارية (TEGs) ) الاختلافات في درجات الحرارة إلى فولت كهربائي عن طريق تأثير سيبيك، وفي البيئات التي بها مستويات حرارية قوية - مثل فتحات الطاقة الحرارية الأرضية، داخل هيكل مركبات فضائية، أو عبر شبكة من أجهزة التليف السطحي - الغازات المحتوية على عجلات مائية يمكن أن توفر طاقة ثابتة.

]Electromagnetic harvesters] rely on a moving magnet and coil to generate current from motion. While usually rigid, researchers have embedded small mag-earth magnets in soft silicone and coiled flexible copper wire along aroid’s joint. The relative motion between magnet and coil during walking higher or touristming induces current

(أ) استخدام خلايا الوقود المجهري التي تولد الكهرباء من المادة العضوية الموجودة في التربة أو المياه أو النفايات، والروبوت اللينة التي تدفن في الرسوب أو العوامات في نهر ملوث يمكن أن تستخدم خلايا الوقود المجهرية المدمجة في سطحه، وتحطم الميكروبات مركبات عضوية، وترمي إلى الإلكترونية ذات كثافة متينة.

استراتيجيات تسخير الطاقة السريعة للبيئة

ولا تعمل تقنية واحدة لجني الطاقة على الوجه الأمثل في كل مكان، ويتوقف الاختيار على مشهد الطاقة الخاص بالبيئة النائية، وندرس أدناه ثلاثة بيئات نائية مشرقة: المحيط العميق والفضاء الخارجي ومناطق الكوارث.

أعماق المحيط: هيمنة التريبوليك وعلم الفيلق

إن المحيط العميق مظلم وملتوي ومتعرض لضغوط هائلة، فالطاقة الشمسية غير متاحة، كما أن الخانات الحرارية الصغيرة من الطاقة الميكانيكية هي وفرة: فالتيارات البحرية، والحركة الأموية، والضغوط الداخلية التي يسببها الصيد السباحي أو الغوص، والمثل الأعلى من المحصولين من الماء الخافت، حيث لا تتطلب أي ضوء أو ضغوطاً من المواد ذات المستوى العالي.

الفضاء الخارجي: ساتل " سولار زائد تريبويليك " للعمليات ذات الطاقة المنخفضة

وفي الفضاء الجوي، توفر الشمس تدفقا ثابتا للصور (نحو 1.36 كيلوواط/م2 في مدار الأرض) ويمكن أن تغطي الخلايا الشمسية المرنة كامل سطح الإنسان الآلي غير الميسر، ولكن الفراغ، والتدوير الحراري الشديد، والإشعاع يتطلبان كبساطتين قويتين، أما بالنسبة للأسطح القمرية أو المريخية، فإن الطاقة الشمسية هي الخيار الرئيسي.

مناطق الكوارث الخطرة: صيد متعدد الوسائط

مناطق الكوارث مثل فرك الزلازل، أو مواقع الانهيار النووي، أو الألغام المنهارة هي بيئات فوضوية وفقيرة للطاقة، ويمكن سد الضوء، وتحلل حراري غير قابل للتنبؤ، ولكن اليقظة الميكانيكية من بعد الطين أو الحطام المتحرك هي منتشرة.

التحديات الرئيسية والحلول الناشئة

ورغم التقدم الذي أحرز منذ عقود، لا تزال هناك عدة تحديات أساسية قبل أن يعتمد الروبوتات اللينة حصرا على الطاقة المحصولة للبعثات الموسعة.

تخزين الطاقة وإدارة الطاقة

فالكهرباء المصفحة متقطعة ومتدنية عادة، فالآليات الصغيرة تحتاج إلى بطاريات ليثيوم فعالة للتخزين - أو مكثفات خارقة يمكن أن تغازل مع الجسم، كما أن لدى المكثفات الحالية المرنة الكثافة للطاقة حوالي 10-20 كيلو متراً، وهي أقل بكثير من متغيرات الليثيوم الصلبة (200 Wh/kg).

مدة المواد وطولها

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الروبوتات الصغيرة تُعاني من التشوهات المتكررة على ملايين الدورات، كما أن الشقوق السيرمي في بيزويليكتري، والطبقة الثلاثية الأبعاد، وتحلل الخلايا الشمسية، وتسمح أجهزة البوليمر ذاتية التلقيح، والسندات المتناقلة الدينامية، ببعض المواد بإصلاح الميكروفونات بصورة مستقلة.

الكفاءة في الظروف الواقعية

ونادرا ما تتطابق اختبارات المختبرات مع ظروف العالم الحقيقي، فعلى سبيل المثال، ينخفض أداء الشبكة انخفاضا حادا في الرطوبة العالية؛ وتفقد الخلايا الفلطية الكفاءة عند درجات الحرارة العالية؛ وتزداد كفاءة المحصولين الفطائر في الترددات، ولكن اليقظة الطبيعية هي ذات النطاق العريض، ويقوم الباحثون بوضع آليات تكيفية - مثل مواد التكتل المتغيرة التي تتغير في الاستجابة لتصميمات ذات الترددات العريضة التي تستخدم أسلوباً متعدداً للكهرباء.

الاتجاهات المستقبلية والتوقعات

ومستقبل جني الطاقة للآليات اللينة يكمن في التكامل والاستخبارات، إذ أن المحصولين المتعددي الوسائط يجمعون بين عناصر الطاقة الشمسية والثلاثية الأبعاد والثبطية في نفس الشريحة الفرعية يصبح معيارا، مما يتيح للآليات التحول بين مصادر الطاقة دون هوادة، وسيصمم الروبوتات الصغيرة نفسها من الأرض كنظم متجانسة للطاقة، مع كل عنصر يسهم في توليد الطاقة: الضوء على أحواض المحاصيل،

ويعني التقدم المحرز في مجال الإلكترونيات المطبوعة أن المستخرجات يمكن تصنيعها بسعر رخيص باستخدام عمليات التدحرج إلى النتائج، مما يقلل من التكلفة ويجعل الآلات اللينة ذات الاستخدام الواحد قابلة للتنظيف البيئي، وثمة اتجاه آخر مثير يتمثل في استخدام الطاقة الميكانيكية الأحيائية من الحركية الآلية، مما يجعل أساساً دفع تكاليف الحركة الآلية لنفسها، ويشير إلى أن أحدث ما يستخدم من روبوتات متحركة يمكن أن يعاد إلى 30 في المائة.

وأخيرا، سيمكن جمع الطاقة من مجموعة جديدة من " الوزع والنسيان " الآليين اللينيين الذين يعملون منذ أشهر أو سنوات، وينقلون البيانات بصورة دورية من المواقع النائية، ويمكن لهذه الروبوتات رصد تغير المناخ في المنطقة القطبية الشمالية، ويفتشون خطوط الأنابيب في أعماق البحار، ويبحثون عن الحياة في البحيرات دون الإقليمية على الأرض (أو على اليوروبا)، ويوفرون الاتصالات في مناطق الكوارث.

خاتمة

إن جمع الطاقة ليس مجرد أداة وصول للآليات اللينة - بل هو شرط مسبق لنشرها على المدى الطويل في بيئات نائية وغير متاحة - فجميعها من خلال الطاقة المتناهية الصغر والثلاثية، وجني الطاقة الشمسية قد ثبتت فعاليتها في نماذج البحوث، مع معالجة الكهرموزية والكهربائية والهيجينية الحيوية التي تظهر الوعود بالنسبة لثدييات محددة.